Самораспространяющийся высокотемпературный синтез гетерофазных материалов в системе Zr–Mo–Si–B Кинетика, механизм горения и структурирования
https://doi.org/10.17073/0021-3438-2022-5-66-77
Аннотация
Работа посвящена изучению кинетики и механизмов горения элементных смесей в системе Zr–Mo–Si–B, а также анализу стадийности фазовых и структурных превращений в волне горения. Проведен термодинамический анализ возможных химических реакций, протекающих в волне горения. В интервале температур 298–2500 К предпочтительна реакция образования ZrB2. При Т > 2200 К более термодинамически выгодным становится образование MoB по сравнению с MoSi2. Оценки фазовой стабильности продуктов горения показали, что фазы ZrB2, MoSi2 и MoB находятся в равновесии. Экспериментальные зависимости Тг (Т0) и Uг (Т0) линейны, что предполагает неизменный механизм горения при Т0 = 298÷800 К. Предварительный подогрев приводит к росту Uг. Аналогичное влияние имеет повышение доли Zr и B в смеси – увеличиваются тепловыделение и Tг. При минимальном содержании Zr и B определяющим является взаимодействие Mo с Si с образованием MoSi2 по механизму реакционной диффузии. При возрастании доли Zr и B подъем Т0 до 750 К не оказывает влияния на Тг. Значения Eэфф (50–196 кДж/моль) подтверждают значительное влияние жидкофазных процессов на кинетику горения. Исследован механизм структурообразования. Во фронте горения формируется расплав Si–Zr–Mo, из которого кристаллизуются первичные зерна ZrB2 и MoB по мере его насыщения бором. Одновременно с этим расплав растекается по поверхности частиц Zr и Mo и реагирует с образованием пленок ZrSix, MoSix. За фронтом горения возникают кольцевые структуры, исчезающие по мере продвижения к зоне догорания. Состав продуктов формируется сразу во фронте горения менее чем за 0,25 с.
Ключевые слова
самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС),
фазообразование,
кинетика,
механизмы,
диборид циркония,
дисилицид молибдена
При поддержке: Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 19-19-00117-П).
Об авторах
Ю. С. Погожев
Национальный исследовательский технологический университет (НИТУ) «МИСиС»
Россия
Россия
Погожев Ю.С. – канд. техн. наук, доцент кафедры порошковой металлургии и функциональных покрытий (ПМиФП); вед. науч. сотр. Научно-учебного центра (НУЦ) СВС МИСиС–ИСМАН
119049, г. Москва, Ленинский пр-т, 4
А. Ю. Потанин
Национальный исследовательский технологический университет (НИТУ) «МИСиС»
Россия
Россия
Потанин А.Ю. – канд. техн. наук, ст. науч. сотр. НУЦ СВС МИСиС–ИСМАН.
119049, г. Москва, Ленинский пр-т, 4
Е. А. Башкиров
Национальный исследовательский технологический университет (НИТУ) «МИСиС»
Россия
Россия
Башкиров Е.А. – инженер научного проекта НУЦ СВС МИСиС–ИСМАН
119049, г. Москва, Ленинский пр-т, 4
Е. А. Левашов
Национальный исследовательский технологический университет (НИТУ) «МИСиС»
Россия
Россия
Левашов Е.А. – докт. техн. наук, проф., акад. РАЕН, зав. кафедрой ПМиФП НИТУ «МИСиС», директор НУЦ СВС МИСиС–ИСМАН
119049, г. Москва, Ленинский пр-т, 4
Д. Ю. Ковалев
Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г. Мержанова РАН (ИСМАН)
Россия
Россия
Ковалев Д.Ю. – докт. физ.-мат. наук, зав. лабораторией рентгеноструктурных исследований ИСМАН
142432, Московская обл., г. Черноголовка, ул. Академика Осипьяна, 8
Н. А. Кочетов
Национальный исследовательский технологический университет (НИТУ) «МИСиС»; Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г. Мержанова РАН (ИСМАН)
Россия
Россия
Кочетов Н.А. – канд. физ.-мат. наук, ст. науч. сотр. лаборатории динамики микрогетерогенных процессов ИСМАН
119049, г. Москва, Ленинский пр-т, 4;
142432, Московская обл., г. Черноголовка, ул. Академика Осипьяна, 8
Список литературы
1. Fahrenholtz W.G., Wuchina E.J., Lee W.E., Zhou Y. Ultrahigh temperature ceramics: materials for extreme environment applications. New Jersey: John Wiley & Sons Inc, 2014.
2. Neuman E.W., Hilmas G.E., Fahrenholtz W.G. Processing, microstructure and mechanical properties of zirconium diboride-boron carbide ceramics. Ceram. Int. 2017. Vol. 43. Iss. 9. P. 6942—6948.
3. RajuGolla B., Mukhopadhyay A., Basu B., Thimmappa S.K. Review on ultra-high temperature boride ceramics. Prog. Mater. Sci. 2020. Vol. 111. P. 100651.
4. Wuchina E., Opila E., Opeka M., Fahrenholtz W.G., Talmy I. UHTCs: ultra-high temperature ceramic materials for extreme environment applications. Electrochem. Soc. Interf. 2007. Vol. 16. P. 30—36.
5. Sonber J.K., Murthy T.S.R.Ch., Subramanian C., Kumar S., Fotedar R.K., Suri A.K. Investigations on synthesis of ZrB2 and development of new composites with HfB2 and TiSi2. Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2011. Vol. 29. Iss. 1. P. 21—30.
6. Nasseri M.M. Comparison of HfB2 and ZrB2 behaviors for using in nuclear industry. Ann. Nucl. Energy. 2018. Vol. 114. P. 603—606.
7. Sonber J.K., Suri A.K. Synthesis and consolidation of zirconium diboride: Review. Adv. Appl. Ceram. 2011. Vol. 10. P. 321—334.
8. Parthasarathy T.A., Rapp R.A., Opeka M.M., Kerans R.J. A model for transitions in oxidation regimes of ZrB2. Mater. Sci. Forum. 2008. Vol. 595—598. P. 823—832.
9. Parthasarathy T.A., Rapp R.A., Opeka M.M., Kerans R.J. A model for the oxidation of ZrB2, HfB2 and TiB2. Acta Mater. 2007. Vol. 55. Iss. 17. P. 5999—6010.
10. Silvestroni L., Stricker K., Sciti D., Kleebe H.-J. Understanding the oxidation behavior of a ZrB2—MoSi2 composite at ultra-high temperatures. Acta Mater. 2018. Vol. 151. P. 216—228.
11. Zhang W.Z., Zeng Y., Gbologan L., Xiong X., Huang B.Y. Preparation and oxidation property of ZrB2—MoSi2/SiC coating on carbon/carbon composites. Trans. Nonferr. Met. Soc. China. 2011. Vol. 21. P. 1538—1544.
12. Silvestroni L., Landi E., Bejtka K., Chiodoni A., Sciti D. Oxidation behavior and kinetics of ZrB2 containingSiC chopped fibers. J. Eur. Ceram. Soc. 2015. Vol. 35. P. 4377—4387.
13. Poilov V.Z., Pryamilova E.N. Thermodynamics of oxidation of zirconium and hafnium borides. Rus. J. Inorg. Chem. 2016. Vol. 61. P. 55—58.
14. Zhang L., Tong Z., He R., Xie C., Bai X., Yang Y., Fang D. Key issues of MoSi2—UHTC ceramics for ultrahigh temperature heating element applications: Mechanical, electrical, oxidation and thermal shock behaviors. J. Alloys Compd. 2019. Vol. 780. P. 156—163.
15. Paul T.R., Mondal M.K., Mallik M. Dry sliding wear response of ZrB2—20vol.%MoSi2 composite. Mater. Today Proc. 2018. Vol. 5. P. 7174—7183.
16. Sciti D., Brach M., Bellosi A. Long-term oxidation behavior and mechanical strength degradation of a pressurelessly sintered ZrB2—MoSi2 ceramic. Scr. Mater. 2005. Vol. 53. P. 1297—1302.
17. Guo W.M., Yang Z.G., Zhang G.J. Microstructural evolution of ZrB2—MoSi2 composites during heat treatment. Ceram. Int. 2011. Vol. 37. P. 2931—2935.
18. Wang R., Li W. Effects of microstructures and flaw evolution on the fracture strength of ZrB2—MoSi2 composites under high temperatures. J. Alloys Compd. 2015. Vol. 644. P. 582—588.
19. Liu H.T., Zou J., Ni D.W., Liu J.X., Zhang G.J. Anisotropy oxidation of textured ZrB2—MoSi2 ceramics. J. Eur. Ceram. Soc. 2012. Vol. 32. P. 3469—3476.
20. Chamberlain A.L., Fahreholtz W.G., Hilmas G.E. Characterization of zirconium diboride-molybdenum disilicide ceramics. Ceram. Trans. 2003. Vol. 153. P. 299—398.
21. Lavrenko V.O., Panasyuk A.D., Grigorev O.M., Koroteev O.V., Kotenko V.A. High-temperature (to 1600 °C) oxidation of ZrB2—MoSi2 ceramics in air. Powder Metall. Met. Ceram. 2012. Vol. 51. P. 102—107.
22. Silvestroni L., Sciti D. Effects of MoSi2 additions on the properties of Hf- and Zr—B2 composites produced by pressureless sintering. Scripta Mater. 2007. Vol. 57. P. 165—168.
23. Sciti D., Silvestroni L., Nygren M. Spark plasma sintering of Zr- and Hf-borides with decreasing amounts of MoSi2 as sintering aid. J. Eur. Ceram. Soc. 2008. Vol. 28. P. 1287—1296.
24. Silvestroni L., Kleebe H.-J., Lauterbach S., Muller M. Transmission electron microscopy on Zr- and Hf-borides with MoSi2 addition: Densification mechanisms. J. Mater. Res. 2010. Vol. 25. Iss. 5. P. 828—834.
25. Sciti D., Monteverde F., Guicciardi S., Pezzotti G., Bellosi A. Microstructure and mechanical properties of ZrB2— MoSi2 ceramic composites produced by different sintering techniques. Mater. Sci. Eng. 2006. Vol. 434. P. 3003—3009.
26. Abdollahi A., Valefi Z., Ehsani N. Erosion mechanism of ternary-phase SiC/ZrB2—MoSi2—SiC ultra-high temperature multilayer coating under supersonic flame at 90° angle with speed of 1400 m/s (Mach 4). J. Eur. Ceram. Soc. 2020. Vol. 40. P. 972—987.
27. Zhu L., Zhu Y., Ren X., Zhang P., Qiao J., Feng P. Microstructure, properties and oxidation behavior of MoSi2— MoB—ZrO2 coating for Mo substrate using spark plasma sintering. Surf. Coat. Technol. 2019. Vol. 375. P. 773—781.
28. Zhu G., Wang X., Feng P., Liu Z., Niu J., Akhtar F. Synthesis and properties of MoSi2—MoB—SiC ceramics. J. Am. Ceram. Soc. 2016. Vol. 99. P. 1147—1150.
29. Taleghani P.R., Bakhshi S.R., Erfanmanesh M., Borhani G.H., Vafaei R. Improvement of MoSi2 oxidation resistance via boron addition: Fabrication of MoB/MoSi2 composite by mechanical alloying and subsequent reactive sintering. Powder Technol. 2014. Vol. 254. P. 241—247.
30. Potanin A.Yu., Pogozhev Yu.S., Levashov E.A., Novikov A.V., Shvindina N.V., Sviridova T.A. Kinetics and oxidation mechanism of MoSi2—MoB ceramics in the 600—1200 °C temperature range. Ceram. Int. 2017. Vol. 43. P. 10478—10486.
31. Schneibel J.H., Sekhar J.A. Microstructure and properties of MoSi2—MoB and MoSi2—Mo5Si3 molybdenum silicides. Mater. Sci. Eng. 2003. Vol. 340. Iss. 1—2. P. 204—211.
32. Guicciardi S., Swarnakar A.K., Biest O.V., Sciti D. Temperature dependence of the dynamic Young’s modulus of ZrB2—MoSi2 ultra-refractory ceramic composites. Scr. Mater. 2010. Vol. 62. P. 831—834.
33. Grohsmeyer R.J., Silvestroni L., Hilmas G.E., Monteverde F., Fahrenholtz W.G., D’Angió A., Sciti D. ZrB2—MoSi2 ceramics: A comprehensive overview of microstructure and properties relationships. Part I: Processing and microstructure. J. Eur. Ceram. Soc. 2019. Vol. 39. P. 1939—1947.
34. Francis L.F. Materials processing: A unified approach to processing of metals, ceramics and polymers. Oxford: Elsevier Inc., 2016.
35. Borovinskaya I.P., Gromov A.A., Levashov E.A., Maksimov Y.M., Mukasyan A.S., Rogachev A.S. Concise encyclopedia of self-propagating high-temperature synthesis: History, theory, technology, and products. Oxford: Elsevier, 2017.
36. Ordanyan S.S., Vikhman S.V., Nagaeva Yu.V., Hovsepyan A.H. On interaction in MoSi2—MeIVB2 system. Proc. NAS RA SEUA: Tech. Sci. 2011. Vol. 64. Iss. 1. P. 36—43.
37. Vega Farje J.A., Matsunoshita H., Kishida K., Inui H. Microstructure and mechanical properties of a MoSi2—Mo5Si3 eutectic composite processed by laser surface melting. Mater. Char. 2019. Vol. 148. P. 162—170.
38. Iatsyuk I.V., Pogozhev Yu.S., Levashov E.A., Novikov A.V., Kochetov N.A., Kovalev D.Yu. Combustion synthesis of high-temperature ZrB2—SiC ceramics. J. Eur. Ceram. Soc. 2018. Vol. 38. P. 2792—2801.
Рецензия
Для цитирования:
Погожев Ю.С., Потанин А.Ю., Башкиров Е.А., Левашов Е.А., Ковалев Д.Ю., Кочетов Н.А. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез гетерофазных материалов в системе Zr–Mo–Si–B Кинетика, механизм горения и структурирования. Известия вузов. Цветная металлургия. 2022;(5):66-77. https://doi.org/10.17073/0021-3438-2022-5-66-77
For citation:
Pogozhev Yu.S., Potanin A.Yu., Bashkirov E.A., Levashov E.A., Kovalev D.Yu., Kochetov N.A. Self-propagating high-temperature synthesis of heterophase materials in the Zr–Mo–Si–B system. Kinetics and mechanisms of combustion and structure formation. Izvestiya. Non-Ferrous Metallurgy. 2022;(5):66-77. (In Russ.) https://doi.org/10.17073/0021-3438-2022-5-66-77
Просмотров:
446
Послать статью по эл. почте 